驻极工艺对PP熔喷非织造过滤材料静电性能的影响

姚翠娥，王荣武

（东华大学，上海201620）

目前净化空气的主要手段是应用空气过滤器和过滤材料。由于一般的空气过滤材料不能有效去除细小微粒，而且如果不及时清理过滤器，容易滋生有害微生物，造成二次污染。作为空气过滤材料使用的熔喷驻极非织造材料比一般过滤材料的过滤效率高，而且对具有致癌作用的亚微米级粒子具有特殊的捕获作用。

熔喷非织造布作为过滤材料使用时，其具有的高过滤效率在很大程度上受其所带的电荷影响。当材料暴露于特殊环境中时，其所带的电荷会出现不同程度的衰减，导致过滤性能下降。因此，过滤材料驻极后的电荷稳定性是决定其能否实际应用的关键。本文采用电晕充电对熔喷非织造布进行驻极处理，通过单因子和多因子正交试验研究了充电电压、充电距离、充电时间、环境湿度等因素对驻极熔喷非织造布表面静电势衰减的影响。

1 试验部分

1.1 试验原料与仪器

实验材料为东华大学非织造工程中心自制的聚丙烯熔喷非织造布，面密度45g／m2，厚度0.5 mm，纤维平均直径2.47μm。

采用YG401织物感应式静电测试仪测试样品的静电电量。参考标准《GBT12703.3－2009纺织品静电性能的评定 第3部分：电荷量》准备测试试样，每次取样数3个，探头与试样间距15 mm，转盘转速1500rpm。

1.2 电晕充电方法

采用电晕充电进行驻极处理，充电装置如图1所示。充电时，将样品平放在接地的平板电极上，针状电极上接有高压电源（一般5～10kV）。当施加高压时，针端下方的空气产生电晕电离，产生局部击穿放电，载流子受到电场的作用而沉积到样品表面，一部分载流子会深入表层被陷阱捕获，从而使样品成为驻极体材料。

图1 电晕充电示意图

2 熔喷非织造布驻极后的静电性能分析

熔喷驻极过滤材料主要通过机械阻挡和静电吸附双重作用来捕获粒子。机械阻挡作用与材料的结构以及性质密切相关；当熔喷过滤材料通过电晕充电处理后带有几百到几千伏电压，由于静电的排斥作用使纤维扩散成网状孔洞，纤维的间隙尺寸远大于粉尘的尺寸，从而形成了一种开放式结构。当粉尘经过熔喷过滤材料时，静电作用不仅能有效地吸引带电粉尘粒子，而且以静电感应效应捕获感应极化的中性粒子，材料静电势越大，静电吸附作用越强。由公式（1）可知，静电电势越高，材料的电荷面密度越大，带电电荷越多，静电作用越强。

表面电荷密度

式中：V 是表面电位，ε是聚合物的介电常数；d是聚合物厚度。

3 结果与讨论

3.1 单因子试验

以下分别研究充电电压、充电距离、充电时间、环境湿度等单因素对熔喷驻极非织造布静电性能的影响。

最后, 如果将驻定模态和两对行波模态的中性曲线放在一起, 尽管最不稳定的模态是驻定模态, 但它的临界点发生在中等波长区域, 并且截断波数随着Reynolds数增大趋于3.9. 这样, 对于在x坐标方向受限的情况下, 如果x坐标方向受限尺度小于方腔高度(k>2π), 这时驻定模态无法出现, 而行波模态基于它的短波特征可能会最先失稳.

3.1.1 充电电压

在充电距离为8mm，充电时间为10min，环境湿度为35%下，分别用6kV、8kV、10kV对试样进行电晕驻极处理，研究不同充电电压对试样静电性能的影响。

由图2可看以出，当其他参数不变时，随着充电电压的增加，熔喷驻极体材料表面静电势增大。这是因为随着充电电压的增大，驻极材料的极化电场增强，在样品表面俘获的电荷越多，故表面静电势也就越大。同时由图2可以看出，随着存放时间的增大，熔喷驻极材料的表面静电势有所衰减，在不同充电电压下材料表面静电势衰减的趋势相同，保留率相差不大，并且在30天左右时趋于稳定。由此可知，熔喷聚丙烯驻极材料具有良好的静电性能。这说明，要获得较好的静电性能，充电电压越大越好，但不能超过一定极限，如充电电压超过10kV时，会出现火花放电现象，导致现材料被击穿，因此要合理选择充电电压。

图2 不同充电电压下样品的表面静电势变化趋势图

3.1.2 充电时间

在充电距离为8mm，充电电压为10kV，环境湿度为35%时，研究不同充电时间对熔喷聚丙烯驻极过滤材料静电性能的影响，结果如图3所示。

由图3可以看出，随着充电时间的增加，熔喷驻极体材料的表面静电势增大，其变化规律和充电电压的影响类似。当充电时间越长时，样品表面俘获的电荷越多，从而有更多的电荷被俘获在较深的阱陷中，所以表面静电势越大。但是，当充电到一定时间时，若样品表面俘获的电荷达到饱和状态，俘获的电荷不会随充电时间的延长而增加，此时表面静电势也趋于稳定。故要获得较高的表面静电势，应该根据实际情况选择合适的充电时间。

图3 不同充电时间下样品的表面静电势变化趋势图

3.1.3 充电距离

在充电时间为10min，充电电压为10kV，环境湿度为35%时，考察不同充电距离对熔喷驻极过滤材料静电性能的影响。

图4 不同充电距离下样品的表面静电势变化趋势图

3.1.4 环境湿度

在常温常湿条件下，PP熔喷驻极滤料具有很良好的电荷储存稳定性，但当样品在储存在高湿环境时，由于水分子中的极性基团、大气中的异性离子等对纤维上面电荷的补偿效应而造成电荷大量损失。因此环境湿度是影响PP熔喷驻极滤料在常温下电荷储存稳定性的重要因素。在充电电压为10kV，充电时间为10min，充电距离为8 mm时，考察不同环境湿度对熔喷聚丙烯驻极过滤材料静电性能的影响。

由图5可看出，试样的表面静电势随环境湿度的增大而逐渐减小，并且湿度越高，下降趋势越快。高湿引起材料静电性能下降的重要原因是熔喷驻极非织造材料是多孔材料结构，存在较大的表面积和开放型孔洞，存放在高湿环境下增加了材料表面与环境中水分子的接触机会，水中离子影响了材料本身的驻极电极性，其静电吸附作用随之减弱，从而表面电位下降，电荷储存呈现不稳定性，随时间而变化。由此可知，环境湿度越大，表面静电势越低，并且表面静电势的保留率也越小。

图5 不同环境湿度下样品的表面静电势变化趋势图

3.2 多因子正交试验

通过多因子正交设计的方法，可以方便地分析在设定的参数及取值范围内的最佳工艺条件以及各因素的影响程度。这是单因子试验做不到的。选取充电时间、充电距离、充电电压、环境湿度4个因素，每个因素取3个水平，进行正交试验设计，驻极工艺参数水平表如表1所示。

表1 驻极工艺参数因子水平表

在保证使用有代表性的样本来最真实地反映总体情况的前提下根据正交试验方法，对四因子三水平采用L9（34）表来设计试验，正交试验设计及材料的静电性能测试如表2所示。采用极差分析法得出各因素对熔喷非织造布进行驻极处理的最优工艺条件。

表2 L9（34）正交设计实验表

其中：Ki—该因子第i水平的试验指标值之和；

ki—该因子第i水平的平均试验指标值；

R—极差，对某因子R＝kmax－kmin，R值越大，则该因素对所考察指标的影响越大。

通过正交计算可知，因素C充电电压对应的极差最大，所以其对样品的驻极效果影响最显著，其次是环境湿度和充电距离，充电时间对样品的驻极效果影响最小。同时由表2可得出初始表面静电势最高的是7号样品，这4个驻极工艺参数的最佳组合A3B1C3D2，即在本实验条件下进行驻极处理时，选取充电电压10kV，充电时间15 min，充电距离8mm，环境湿度35%，最有利于样品的驻极处理，达到较好的静电驻极效果。

4 结论

4.1 PP熔喷非织造过滤材料的表面静电势随充电电压、充电时间的增加而增大，而随着充电距离和环境湿度的增大而减小。其中，充电电压对样品的驻极效果影响最明显，其次是环境湿度和充电距离，充电时间对样品的驻极效果影响最小。

4.2 充电电压、充电距离及充电时间对驻极稳定性的影响不大，而环境湿度对驻极稳定性的影响较大，且环境湿度越大，驻极稳定性越差，电荷衰减得越多。在本实验条件下进行驻极处理时，选取充电时间15min，充电距离8mm，充电电压10 kV，环境湿度35%，最有利于样品的驻极处理，达到较好的驻极效果。

［1］MAUS R，GOPPELSRODER A，UMHAUER H.Survival of bacterial and mold spores in filter media［J］.Atmospheric Environment，2002，（35）：105—113.

［2］沈晋明，许钟麟.空调系统的二次污染和细菌控制［J］.暖通空调，2002，32（5）：30—33.

［3］LEE M，OTANI Y，NAMIKI N，et al.Prediction of collection efficiency of high－performance electret filters［J］.Journal of Chemical Engineering of Japan，2002，33（1）：57—62.

［4］陈钢进，肖慧明，王耀翔.聚丙烯非织造布的驻极体电荷存储特性和稳定性［J］.纺织学报，2007，28（9）：125—128.

［5］Chikao Kananoka，Hitoshi Emi，Yoshio Otani＆Takashi Iiyana.Effect of charging state of particles on electret filtration［J］.Aerosol Science and Technology，1987，（1）：1—13.

［6］W.Jasper，J.Hinestroza，A.Mohan，J.Kim，etc.Effect of xylene exposure on the permance of electret filter media［J］Journal of Aerosol Science，2006，（7）：903—911.

［7］陈钢进，肖慧明，夏钟福.电晕充电多孔PTFE／PP复合驻极体过滤材料的电荷存储特性［J］.物理学报，2006，（5）：361—366.

［8］G.M.Sessler.Electrets［M］.New York：Springer－Verlag，1987.

［9］BABA A，LKEZAKI K.Thermally stimulated currents from positively corona－charged polypropylene films［J］.Appl Phys Lett，1982，40（12）：1027—1028.

［10］周晨，靳向煜.聚丙烯熔喷驻极过滤材料表面静电势的研究［J］.过滤与分离，2011，21（1）：16—19.

［11］冀忠宝，夏钟福，沈莉莉，等.电晕充电的聚丙烯无纺布空气过滤膜的电荷储存及稳定性［J］.物理学报，2005，54（8）：3799—3803.